Modelle für Anriss, Risswachstum und Lebensdauer

© Fraunhofer IWM

Thermomechanisch ermüdungsbeanspruchte Komponenten in Verbrennungsmotoren, thermischen Kraftwerken und Anlagen sowie stationären Gas- und Flugturbinen sind in der Regel mindestens lokal größeren plastischen Verformungen ausgesetzt, wodurch die Rissbildung eines mikrostrukturell kurzen Anrisses an und in Mikrostrukturmerkmalen (z.B. Ausscheidungen, Körnern, Phasengrenzen) sowie Defekten (z.B. fertigungsbedingte Poren, Lunker und Ungänzen) in der Regel einen vernachlässigbaren Anteil der Gesamtlebensdauer einnimmt. Die Modellierungsaktivitäten fokussieren sich daher seit Jahren auf das Wachstum kurzer Risse von wenigen Mikrometern bis zur Länge eines technischen Anrisses (z.B. 0.5 bis 1 mm) und darüber hinaus auf das Langrissstadium für Restlebensdauerbetrachtungen.

Die Modellentwicklung verfolgt das Ziel, werkstoff(klassen)spezifische Schädigungsmechanismen für thermomechanische Ermüdung und Kriechermüdung in handhabbare Modelle zu übertragen, die später auch zur Lebensdauerbewertung von Komponenten im Rahmen von Finite Elemente Analysen genutzt werden können.

Leistungen

 

Methodisch kommen überwiegend bruchmechanisch basierte Kurzrissmodelle zum Einsatz, denen eine Analyse der zeit- und temperaturabhängigen Rissspitzenfelder zugrunde liegt. Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind u.a.

  • Umgang mit variablen Amplituden und realen Betriebsbelastungen bei variabler thermozyklischer Beanspruchung
  • Berücksichtigung des risslängenabhängigen Rissschließeffekts im Bereich physikalisch kurzer und langer Risse
  • Berücksichtigung von thermisch und mechanisch induzierten Beanspruchungsgradienten
  • Berücksichtigung der Kriechermüdungsschädigung im Bereich physikalisch kurzer und langer Risse
  • Umgang mit fertigungsbedingten Defekten (z.B. bei additiv gefertigten Werkstoffen)
  • Bewertung des Umgebungseinflusses und der Interaktion mit der Kriechermüdungsschädigung
  • Entwicklung von werkstoffmechanisch fundierten Lebensdauerkonzepten zur Bewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Komponenten unter Berücksichtigung der Mikro- und Defektstruktur
     
Berücksichtigung von thermisch und mechanisch induzierten Beanspruchungsgradienten
Berücksichtigung der Kriechermüdungsschädigung im Bereich physikalisch kurzer und langer Risse
Umgang mit fertigungsbedingten Defekten (z.B. bei additiv gefertigten Werkstoffen)
Bewertung des Umgebungseinflusses und der Interaktion mit der Kriechermüdungsschädigung
Entwicklung von werkstoffmechanisch fundierten Lebensdauerkonzepten zur Bewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit von Komponenten unter Berücksichtigung der Mikro- und Defektstruktur